JP2505376B2 - Film forming method and apparatus - Google Patents

Film forming method and apparatus

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JP2505376B2
JP2505376B2 JP6086589A JP8658994A JP2505376B2 JP 2505376 B2 JP2505376 B2 JP 2505376B2 JP 6086589 A JP6086589 A JP 6086589A JP 8658994 A JP8658994 A JP 8658994A JP 2505376 B2 JP2505376 B2 JP 2505376B2
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film forming
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laser
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朗 松縄
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、成膜方法及び装置に係
り、膜材料として金属、非金属に限らず種々の化合物を
適応可能な超微粒子膜を含む膜の成膜方法及び装置に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a film forming method and apparatus, and more particularly to a film forming method and apparatus including an ultrafine particle film applicable to various compounds as film materials, not limited to metal and nonmetal.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、アークにより超微粒子を製造する
には、例えば特公昭57−44725号公報に記載のよ
うに、水素を含有するガスを使用し、このガスが溶融金
属中に溶解、対流、放出する機構を利用している。
2. Description of the Related Art Conventionally, for producing ultrafine particles by an arc, a gas containing hydrogen is used as disclosed in Japanese Patent Publication No. 57-44725, and this gas is dissolved in a molten metal and convected. , Using the mechanism of release.

【0003】更に、こうして得られた超微粒子を成膜す
る方法としては溶剤に溶かして塗布する方法とガス流を
利用して吹きつける方法が知られている(特開昭57−
196085号公報参照)。
Further, as a method for forming a film of the ultrafine particles thus obtained, there are known a method of applying by dissolving in a solvent and a method of spraying by using a gas flow (JP-A-57-57).
196085).

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記従来の超微粒子製
造は製造効率についての配慮がなされていない。また上
記従来の成膜方法は、前者にあっては高純度膜を得難
く、後者にあっては装置が複雑化するという夫々の欠点
があった。
In the above-mentioned conventional ultrafine particle production, no consideration is given to production efficiency. Further, the above-mentioned conventional film forming methods have respective drawbacks that it is difficult to obtain a high-purity film in the former case and the apparatus becomes complicated in the latter case.

【0005】本発明の目的は、高純度の膜を効率良く簡
単に形成する成膜方法及び成膜装置を提供することにあ
る。
An object of the present invention is to provide a film forming method and a film forming apparatus for forming a high purity film efficiently and easily.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】レーザエネルギを原材料
表面に照射すると、そのエネルギ密度によって種々の溶
融形態をとる。本発明者はレーザエネルギをプルーム現
象の生ずる条件即ち低真空雰囲気下で原材料にパルス照
射すると、高速度で多量の超微粒子が生成することを発
見した。そしてこのプルームを直接基板表面に照射する
ことにより基板表面上に簡単かつ高純度の超微粒子膜を
形成することに成功した。
When the laser energy is applied to the surface of the raw material, it takes various molten forms depending on its energy density. The present inventor has discovered that when the raw material is pulse-irradiated with a laser energy under a condition where a plume phenomenon occurs, that is, in a low vacuum atmosphere, a large amount of ultrafine particles are generated at a high speed. By irradiating the substrate surface with this plume, we succeeded in forming a simple and high-purity ultrafine particle film on the substrate surface.

【0007】本発明はこの発見に基づくものであって、
所定雰囲気下においてレーザエネルギをプルームの発生
する条件で原材料表面に照射し、発生したプルームを直
接基板に当てることにより成膜することを特徴とする。
The present invention is based on this discovery,
It is characterized in that a film is formed by irradiating the surface of the raw material with laser energy under a condition where a plume is generated in a predetermined atmosphere and directly applying the generated plume to the substrate.

【0008】すなわち、減圧下で膜の構成物質を含む原
材料にレーザ光をパルス照射して膜の構成物質を含むプ
ルームを発生させ、このプルームを成膜対象物に直接接
触させてその対象物の表面に膜を形成するにあたり、レ
ーザ光の焦点位置を調節してプルームの性状(例えば、
原子、分子、クラスタ、イオンなどの混合比率)を調節
することにより成膜することを特徴とする。
That is, the raw material containing the constituent material of the film is pulse-irradiated under reduced pressure with a laser beam to generate a plume containing the constituent material of the film, and the plume is brought into direct contact with the object to be film-formed. When forming a film on the surface, the focal position of the laser light is adjusted and the plume properties (for example,
It is characterized in that the film is formed by adjusting the mixing ratio of atoms, molecules, clusters, ions, etc.).

【0009】この成膜方法を実施する装置は、成膜室
と、この成膜室の内部に設置される膜の構成物質を含む
原材料と、この原材料の表面にレーザ光をパルス照射す
るレーザ照射手段と、前記原材料のレーザ光が照射され
る面に形成されるプルームに少なくとも接触する位置に
配置される成膜対象物と、成膜室の内部圧力を減圧する
排気手段と、前記原材料の表面に照射されるレーザ光の
エネルギ密度をプルームが発生する条件に調整するレー
ザエネルギ調節手段とを含んで構成できる。
An apparatus for carrying out this film-forming method comprises a film-forming chamber, a raw material containing the constituent substances of a film installed inside the film-forming chamber, and laser irradiation for irradiating the surface of the raw material with laser light in a pulsed manner. Means, a film forming object arranged at a position at least in contact with a plume formed on a surface of the raw material irradiated with laser light, an exhaust means for reducing the internal pressure of the film forming chamber, and a surface of the raw material And a laser energy adjusting means for adjusting the energy density of the laser beam applied to the laser under the condition that the plume is generated.

【0010】この場合、成膜対象物は予め加熱しておく
ことが望ましい。加熱手段はレーザ光以外のエネルギ使
用が好ましい。
In this case, it is desirable to heat the film-forming target in advance. The heating means preferably uses energy other than laser light.

【0011】所定雰囲気条件としては雰囲気圧力や雰囲
気ガス、更には超微粒子の原料となる被レーザ照射材料
等が挙げられる。雰囲気圧力を1.3×104〜5×10
5Paの範囲から適宜選定すれば超微粒子を所定の粒径
分布に揃えて成膜することが可能である。雰囲気ガスを
適宜選定すればこのガス成分とプルーム及び/または成
膜過程乃至成膜物との反応により所望の化合物や合金膜
を得ることが可能である。
Examples of the predetermined atmospheric conditions include atmospheric pressure and atmospheric gas, as well as laser-irradiated material which is a raw material of ultrafine particles. Atmospheric pressure is 1.3 × 10 4 to 5 × 10
By appropriately selecting from the range of 5 Pa, it is possible to form ultrafine particles with a predetermined particle size distribution. By appropriately selecting the atmospheric gas, it is possible to obtain a desired compound or alloy film by the reaction of this gas component with the plume and / or the film forming process or the film-formed product.

【0012】超微粒子の原材料は特に限定されず、適宜
選定することによって所望の金属、合金または非金属膜
を形成することが可能である。更に合金材料と雰囲気ガ
スとの両者の適宜選定によって金属と化合物との混合膜
を形成することも可能である。
The raw material of the ultrafine particles is not particularly limited, and it is possible to form a desired metal, alloy or non-metal film by appropriately selecting it. Further, it is possible to form a mixed film of a metal and a compound by appropriately selecting both the alloy material and the atmospheric gas.

【0013】本発明は超微粒子構成の超電導薄膜にも利
用し得る。この場合には、原材料として酸化物超電導体
の焼結体或いは相当する合金、或いは希望する成膜組成
を得るために元素比率が成膜のそれと異なるセラミクス
や合金が適する。この成膜に際しては膜の加熱後に急冷
乃至徐冷することが好ましく、その加熱源にはヒータや
高周波誘導コイルを使用し得る。多くは徐冷(例えば2
00℃/hr)の方が有効である。この場合基板として
は、Al23基板、MgO基板、SrTiO3単結晶基
板、Si基板等が挙げられる。
The present invention can also be used for a superconducting thin film having ultrafine particles. In this case, as a raw material, a sintered body of an oxide superconductor or a corresponding alloy, or a ceramic or an alloy having an element ratio different from that of the film formation to obtain a desired film formation composition is suitable. In this film formation, it is preferable to rapidly cool or gradually cool the film, and a heater or a high frequency induction coil can be used as the heating source. Many are slowly cooled (eg 2
00 ° C./hr) is more effective. In this case, examples of the substrate include an Al 2 O 3 substrate, a MgO substrate, a SrTiO 3 single crystal substrate, and a Si substrate.

【0014】尚、本発明においてはレーザエネルギで原
材料表面を活性化させるだけでなく、これに更にアーク
エネルギ又は放電エネルギを付加してより生成効率を向
上させることも含む。
The present invention includes not only activating the surface of the raw material with laser energy, but also adding arc energy or discharge energy to this to further improve the production efficiency.

【0015】[0015]

【作用】レーザ光の焦点位置を調整して、レーザエネル
ギ密度をプルーム現象の生ずる条件で原材料に照射する
と高速度で多量の超微粒子が生成する。多量の超微粒子
(例えば金属蒸気)を含むプルームは高速度で移行する
ので成膜対象物の基板に当てることによりこの基板に強
く付着して膜となる。基板を予熱しておけばこの付着力
は更に大となる。また、レーザ光の焦点位置を調整する
ことにより、原材料表面のレーザエネルギ密度を調整し
て、成膜速度を調節できる。
When the raw material is irradiated with the laser energy density under the condition that the plume phenomenon occurs, a large amount of ultrafine particles are generated at a high speed by adjusting the focal position of the laser light. Since the plume containing a large amount of ultrafine particles (for example, metal vapor) migrates at a high speed, when it is applied to the substrate of the film formation target, it strongly adheres to this substrate to form a film. If the substrate is preheated, this adhesion will be even greater. Further, by adjusting the focal position of the laser light, the laser energy density on the surface of the raw material can be adjusted, and the film formation rate can be adjusted.

【0016】[0016]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に従って説明す
る。 (レーザ照射)図1は原材料表面にプルームの発生する
条件でレーザ光を照射し、生成したプルームを基板表面
に付着させる成膜装置の構成例である。レーザ源1には
本実施例においてはYAGレーザを使用した。発生した
レーザ光2は集光レンズ3にて収束しつつガラス板4を
経て超微粒子成膜室5内に入る。レーザ光2は超微粒子
成膜室5の底部中央近傍に位置する原材料6に照射され
る。集光レンズ3はレーザ源1からのレーザ光2を集光
するためのもので、焦点からの距離は焦点位置7を基準
に集光レンズ3側をマイナス、原材料6側をプラスとす
る。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (Laser Irradiation) FIG. 1 is an example of the configuration of a film forming apparatus that irradiates a laser beam on a surface of a raw material under conditions where a plume is generated and deposits the generated plume on the surface of a substrate. A YAG laser was used as the laser source 1 in this embodiment. The generated laser beam 2 enters the ultrafine particle deposition chamber 5 through the glass plate 4 while being converged by the condenser lens 3. The laser light 2 is applied to the raw material 6 located near the center of the bottom of the ultrafine particle deposition chamber 5. The condenser lens 3 is for condensing the laser light 2 from the laser source 1, and the distance from the focus is such that the condenser lens 3 side is negative and the raw material 6 side is positive with respect to the focal position 7.

【0017】(プルームの発生)原材料6表面に照射し
たレーザエネルギE(Joule/Pulse)が大きいと多量
のスパッタが発生し、一方エネルギが小さいと少量の金
属は蒸発するが、肉眼又は写真等に明瞭に観察すること
は困難である。適正なエネルギを与えれば多量の超微粒
子を含むプルーム8が認められる。
(Generation of Plume) When the laser energy E (Joule / Pulse) applied to the surface of the raw material 6 is large, a large amount of spatter is generated. On the other hand, when the energy is small, a small amount of metal evaporates. It is difficult to observe clearly. Plume 8 containing a large amount of ultrafine particles can be recognized if proper energy is applied.

【0018】プルームとはレーザエネルギ等を原材料表
面に照射した時に、そこから一部電離した金属等の高密
度蒸気が光って図1の符号8に示すように観察されたも
のをいう。
The plume refers to what is observed as shown by reference numeral 8 in FIG. 1 when the surface of the raw material is irradiated with laser energy or the like and a high-density vapor of a metal or the like, which is partially ionized, shines from the surface.

【0019】このプルーム8の発生条件を与えるレーザ
エネルギと焦点からの原材料表面までの距離fdとの関
係は図2に示す通りで、Aはスパッタを伴う領域、Bは
プルームのみの領域、Cはプルームなしの領域である。
この関係は原材料6の種類、表面状態、雰囲気ガスの種
類、雰囲気圧力によって変化する。本例においては原材
料6にチタン(Ti)を使用し、超微粒子成膜室5内の
雰囲気圧力Pを1気圧とし、レーザ光2のパルス時間
(τ)を3.6msとした。また集光レンズ3の焦点距
離fは127mmであり、雰囲気は空気とした。このプ
ルームの生成には種々の原材料について検討した結果、
原材料表面に与えるレーザエネルギが104〜107W/
cm2の範囲にあることが判明した。
The relationship between the laser energy that gives the conditions for generating the plume 8 and the distance fd from the focus to the surface of the raw material is as shown in FIG. 2, where A is a region accompanied by sputtering, B is a region only with a plume, and C is a region. It is an area without plumes.
This relationship changes depending on the type of raw material 6, the surface state, the type of atmospheric gas, and the atmospheric pressure. In this example, titanium (Ti) was used as the raw material 6, the atmospheric pressure P in the ultrafine particle deposition chamber 5 was set to 1 atm, and the pulse time (τ) of the laser light 2 was set to 3.6 ms. The focal length f of the condenser lens 3 was 127 mm, and the atmosphere was air. As a result of examining various raw materials for the production of this plume,
Laser energy applied to the surface of raw material is 10 4 to 10 7 W /
It was found to be in the cm 2 range.

【0020】プルーム8の発生は図3の曲線Aに示すよ
うに、レーザエネルギEを照射後0.05〜0.3msの
時間を要し、この少しの時間遅れの後に蒸発が始まって
高速蒸気流として移行する。この時間(発生開始時間)
は照射エネルギの程度すなわち焦点からの距離fdによ
って変化する。また、発生したプルーム8の先端の成長
速度Vυは図3の曲線B及び図4に示すように、照射エ
ネルギE及び雰囲気圧力Pによって大きく変化する。こ
れら照射エネルギE及び雰囲気圧力Pは超微粒子の生成
量、粒径等に影響を与える。
As shown by the curve A in FIG. 3, the generation of the plume 8 requires a time of 0.05 to 0.3 ms after the irradiation of the laser energy E, and after a slight time delay, the evaporation starts and the high-speed steam is generated. Shift as a flow. This time (occurrence start time)
Varies depending on the degree of irradiation energy, that is, the distance fd from the focus. Further, the growth rate Vυ of the tip of the generated plume 8 greatly changes depending on the irradiation energy E and the atmospheric pressure P as shown by the curve B in FIG. 3 and FIG. The irradiation energy E and the atmospheric pressure P affect the production amount of ultrafine particles, the particle size, and the like.

【0021】尚、図中の記号abは〔レンズ3と原材料
6との距離〕/〔レンズ3の焦点距離f〕を表わしてい
る。尚、図3に関して照射エネルギEは36.5J/P
とし、他は図2と同条件とした。図4についてはτを
3.6msとし雰囲気を空気とし、E、fd、abは夫
々図中に示す条件とした。
The symbol ab in the figure represents [distance between lens 3 and raw material 6] / [focal length f of lens 3]. Incidentally, with respect to FIG. 3, the irradiation energy E is 36.5 J / P.
Other conditions were the same as those in FIG. In FIG. 4, τ was 3.6 ms, the atmosphere was air, and E, fd, and ab were the conditions shown in the figure.

【0022】プルーム8が高速蒸気気流として移行して
行く状態を図5に例示する。この金属蒸気からなるプル
ーム8は移行中に蒸発原子が空間で凝縮して超微粒子を
形成することになる。
FIG. 5 illustrates a state in which the plume 8 is moving as a high-speed steam flow. The plume 8 made of this metal vapor will condense vaporized atoms in the space during transfer to form ultrafine particles.

【0023】プルーム先端の移行速度は同図の傾斜(υ
=tanθ)で示され、この場合υ=15m/sである。
尚、移行速度はレーザ光照射条件、原材料、雰囲気圧力
等により異なるが、その例を表1に示す。
The transition speed of the plume tip is the inclination (υ
= Tan θ), and in this case ν = 15 m / s.
The transfer speed varies depending on the laser light irradiation conditions, raw materials, atmospheric pressure, etc., and examples are shown in Table 1.

【0024】[0024]

【表1】 [Table 1]

【0025】尚、パルス時間τは3.6ms、レーザエ
ネルギEは36.5J/PのYAGである。表1に見る
ようにグラファイトが最も速い。従ってこのプルームを
基板に当てることにより、超微粒子の膜を形成すること
が可能となる。
The pulse time τ is 3.6 ms and the laser energy E is 36.5 J / P YAG. As shown in Table 1, graphite is the fastest. Therefore, by applying this plume to the substrate, it becomes possible to form a film of ultrafine particles.

【0026】(超微粒子の生成)所望の超微粒子を生成
するために超微粒子成膜室5内に雰囲気ガス供給管9か
ら所定のガスを導入する。この供給管9の開孔部は成膜
室5の底部近傍で原材料6とほぼ同じ高さであり、供給
ガスはプルーム8の方向に流出する。尚、供給管9上に
はゲートバルブ10が配置されている。また反対側には
排気ポンプ11を設置して成膜室5内の排気を行うこと
とし、この流路上にもゲートバルブ10を配設する。雰
囲気圧力は排気ポンプ11で制御され、雰囲気ガスは超
微粒子成膜室5を真空に排気(10〜 3torr程度)し、
その後所定のガスを供給して得ることになる。
(Production of Ultrafine Particles) A predetermined gas is introduced from the atmosphere gas supply pipe 9 into the ultrafine particle film forming chamber 5 in order to produce desired ultrafine particles. The opening portion of the supply pipe 9 has almost the same height as the raw material 6 near the bottom of the film forming chamber 5, and the supply gas flows out in the direction of the plume 8. A gate valve 10 is arranged on the supply pipe 9. Further, an exhaust pump 11 is installed on the opposite side to exhaust the inside of the film forming chamber 5, and the gate valve 10 is also arranged on this flow path. The atmospheric pressure is controlled by the exhaust pump 11, and the atmospheric gas exhausts the ultrafine particle deposition chamber 5 to a vacuum (about 10 to 3 torr),
After that, a predetermined gas is supplied to obtain the gas.

【0027】照射エネルギEと超微粒子生成量wとの関
係を図6に例示する。領域Aのスパッタの発生を伴うエ
ネルギ領域によりわずかに小さい領域Bのエネルギ照射
で最も効率よく生成できる。このデータの条件は、原材
料6にニッケル(Ni)を使用し、雰囲気ガスを空気と
し、焦点からの距離fdを10mmとした。
FIG. 6 illustrates the relationship between the irradiation energy E and the ultrafine particle production amount w. The energy region of the region A accompanied by the generation of spatter can be most efficiently generated by the energy irradiation of the region B which is slightly smaller. The conditions for this data were that nickel (Ni) was used as the raw material 6, the atmosphere gas was air, and the distance fd from the focus was 10 mm.

【0028】一方、一定エネルギを各種原材料〔チタン
(Ti)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、アルミニウ
ム(Al)、モリブデン(Mo)〕に照射する時の生成
量W及び蒸発量Vを図7に示す。照射のエネルギEは2
2J/P、雰囲気ガスはアルゴンであり、fdは10mm
とした。この関係は図示の通り、原材料の物性(表面吸
収エネルギ、熱伝導率、蒸発温度、溶融温度等)によっ
て変わる。尚、図中の黒く塗りつぶした線は重量損失即
ち生成量に対応し、白い線は蒸発量に対応する。従って
プルーム現象が最も激しいエネルギ条件を、各原材料、
表面状態、雰囲気ガス、雰囲気圧力、レーザの種類、レ
ーザ光の波長、光学系の種類、ガラス板の種類等に応じ
て把握して照射するとよい。
On the other hand, the amount W of production and the amount V of evaporation when various raw materials [titanium (Ti), iron (Fe), nickel (Ni), aluminum (Al), molybdenum (Mo)] are irradiated with constant energy are shown in FIG. 7 shows. The irradiation energy E is 2
2 J / P, atmosphere gas is argon, fd is 10 mm
And This relationship changes depending on the physical properties of the raw materials (surface absorption energy, thermal conductivity, evaporation temperature, melting temperature, etc.) as shown in the figure. The black line in the figure corresponds to the weight loss, that is, the production amount, and the white line corresponds to the evaporation amount. Therefore, the energy condition where the plume phenomenon is the most severe
Irradiation may be performed after grasping according to the surface condition, atmospheric gas, atmospheric pressure, laser type, laser light wavelength, optical system type, glass plate type, and the like.

【0029】一例としてチタン(Ti)を原材料とする
場合についての雰囲気圧力と生成量との関係は図8に示
すように雰囲気圧力が大気圧に近い105Paで最も生
成量が多い。雰囲気ガスは空気、照射エネルギEは3
3.4J/P、パルスτは3.6ms、fdは24mm、a
bは1.189とした。図8及び図4から、雰囲気圧力
が5×105Pa以下であればプルームの先端成長速度
が速く、生成量が大きいことがわかる。
As an example, regarding the relationship between the atmospheric pressure and the production amount when titanium (Ti) is used as the raw material, the production amount is the largest when the atmospheric pressure is 10 5 Pa, which is close to the atmospheric pressure, as shown in FIG. Atmosphere gas is air, irradiation energy E is 3
3.4 J / P, pulse τ is 3.6 ms, fd is 24 mm, a
b was set to 1.189. From FIGS. 8 and 4, it can be seen that when the atmospheric pressure is 5 × 10 5 Pa or less, the plume tip growth rate is high and the production amount is large.

【0030】また超微粒子の強度分布は図9に示すよう
に雰囲気圧力P=105Paでは5〜65nmの粒径範
囲を示している。一方低い雰囲気圧力1.3×104Pa
では生成量はいく分少なくなるが、粒径の揃った細かい
(5nm)超微粒子が得られる。尚、図8では原材料6
はTi、雰囲気は空気、Eは25J/P、τは3.6m
s、fdは+25nm、abは1.189である。
As shown in FIG. 9, the intensity distribution of the ultrafine particles shows a particle size range of 5 to 65 nm when the atmospheric pressure P = 10 5 Pa. On the other hand, low atmospheric pressure 1.3 × 10 4 Pa
In that case, the production amount is somewhat reduced, but fine (5 nm) ultrafine particles having a uniform particle size can be obtained. In addition, in FIG.
Is Ti, the atmosphere is air, E is 25 J / P, and τ is 3.6 m.
s and fd are +25 nm, and ab is 1.189.

【0031】原材料を鉄(Fe)にして、また雰囲気を
空気に代えてアルゴンにして行った場合のデータを図1
0に示す。雰囲気ガスによらず圧力が低い程粒径が小さ
く(例えば15nm)かつ揃ってくることがわかる。図
9及び図10から超微粒子膜の粒径分布は雰囲気圧力で
制御し得ることが明らかである。
FIG. 1 shows data obtained when iron (Fe) was used as the raw material and argon was used instead of air as the atmosphere.
0 is shown. It can be seen that the particle size becomes smaller (for example, 15 nm) and becomes more uniform as the pressure becomes lower regardless of the atmospheric gas. It is clear from FIGS. 9 and 10 that the particle size distribution of the ultrafine particle film can be controlled by the atmospheric pressure.

【0032】レーザ光照射で得られる超微粒子は表2に
示すようにほとんどの金属材料について可能であり、ま
た非金属、合金についても同様に可能である。尚、合金
の場合は超微粒子の組成はいく分変化する傾向にある。
Ultrafine particles obtained by laser light irradiation can be used for most metal materials as shown in Table 2, and also for nonmetals and alloys. In the case of alloys, the composition of ultrafine particles tends to change somewhat.

【0033】また生成した超微粒子は非常に活性な状態
にあるので、プルームと雰囲気ガスとの直接化学反応に
よって種々のセラミクス超微粒子(化合物超微粒子)が
生成可能となる。酸素雰囲気で生成した酸化物の例、窒
素雰囲圧で生成した窒化物の例も夫々表2に示す。
Further, since the generated ultrafine particles are in a very active state, various ceramic ultrafine particles (compound ultrafine particles) can be produced by the direct chemical reaction between the plume and the atmospheric gas. Table 2 also shows an example of an oxide formed in an oxygen atmosphere and an example of a nitride formed in a nitrogen atmosphere pressure.

【0034】[0034]

【表2】 [Table 2]

【0035】更に反応ガス雰囲気中で合金材料にレーザ
光を照射することにより、金属とセラミクスとの混合超
微粒子を生成することが可能である。一例として窒素雰
囲気でFe−Ti合金又はNi−Ti合金にレーザ光を
照射すると、前者の場合はFeとTiN、後者の場合は
NiとTiNの混合超微粒子が得られる。またレーザエ
ネルギやこれと併用することの可能なアークエネルギ、
または図11に示すように高周波誘導コイル15でプラ
ズマを発生させて、そのエネルギによって雰囲気ガスの
一部が解離するのでN2ガス、O2ガスの他にメタン(C
4)、アセチレン(CH≡CH)、フレオン(CCl2
2)、プロパン(C38)、ブタン(C410)等のガ
スを用いて炭化物超微粒子を生成することが可能であ
る。また炭化水素系ガスに限らずアンモニア(NH3
等も使用可である。このように所定のガスの選定によっ
て所望の酸化物、窒化物、炭化物の化合物超微粒子を生
成することが可能である。更にこれらの化合物(セラミ
クス)に直接レーザ光を照射することによっても同様に
化合物超微粒子が得られる。尚、使用エネルギはYAG
レーザの他CO2、ダイレーザ等他の発振方式のレーザ
でも可能である。
Further, by irradiating the alloy material with a laser beam in a reaction gas atmosphere, it is possible to generate mixed ultrafine particles of metal and ceramics. As an example, when the Fe—Ti alloy or Ni—Ti alloy is irradiated with laser light in a nitrogen atmosphere, mixed ultrafine particles of Fe and TiN in the former case and Ni and TiN in the latter case can be obtained. Also, laser energy and arc energy that can be used in combination with this,
Alternatively, as shown in FIG. 11, plasma is generated by the high frequency induction coil 15 and a part of the atmospheric gas is dissociated by the energy, so that N 2 gas, O 2 gas, methane (C
H 4 ), acetylene (CH≡CH), freon (CCl 2
It is possible to generate ultrafine carbide particles using a gas such as F 2 ), propane (C 3 H 8 ), or butane (C 4 H 10 ). In addition to hydrocarbon-based gas, ammonia (NH 3 )
Etc. can also be used. As described above, it is possible to generate compound ultrafine particles of a desired oxide, nitride or carbide by selecting a predetermined gas. Further, by directly irradiating these compounds (ceramics) with laser light, compound ultrafine particles can be similarly obtained. The energy used is YAG
In addition to the laser, other oscillation type lasers such as CO 2 and die laser can be used.

【0036】(成膜工程)上記の如くプルーム8が発生
すると超微粒子が生ずると共に上方へ高速で移行するこ
とから、移行先即ちプルーム8の先端方向に基板12を
置いておけばこれに超微粒子が衝突して堆積し超微粒子
膜13が形成できる。
(Film Forming Process) When the plume 8 is generated as described above, ultrafine particles are generated and the particles move upward at a high speed. Therefore, if the substrate 12 is placed at the transfer destination, that is, in the direction of the tip of the plume 8, the ultrafine particles will be formed thereon. Collide with each other to be deposited and an ultrafine particle film 13 can be formed.

【0037】基板12は図1の例ではヒータ14により
予熱しているが、図11に示す如く高周波誘導コイル1
5を使用しても良い。またこの他に光ビームやレーザ等
を熱源とすることも可能である。尚、図中の符号16は
ヒータ電源であり、符号17は整合器であり、符号18
は高周波電源である。
The substrate 12 is preheated by the heater 14 in the example of FIG. 1, but as shown in FIG.
5 may be used. In addition to this, a light beam, a laser, or the like can be used as a heat source. In the figure, reference numeral 16 is a heater power source, reference numeral 17 is a matching unit, and reference numeral 18
Is a high frequency power supply.

【0038】先に示した通りプルーム発生条件にて超微
粒子は生成と同時に基板へ高速度で移行することから、
簡易に高純度の超微粒子膜が得られることになる。
As described above, since ultrafine particles are generated and migrate to the substrate at a high speed at the same time under the plume generation condition,
A high-purity ultrafine particle film can be easily obtained.

【0039】(セラミクス超電導薄膜形成への利用)本
発明はセラミクスの酸化物超電導材料の粉末生成又は膜
形成を行う場合にも利用し得る。
(Use for Forming Ceramics Superconducting Thin Film) The present invention can also be used for forming a powder or forming a film of a ceramic oxide superconducting material.

【0040】例えば原材料6にレーザ光2を照射して生
成した超微粒子膜が所定の超電導材料の組成(例えばY
Ba2Cu37_8等)になるような合金(例えばY−B
a−Cuの合金)を用いて酸素、酸素と不活性ガス、或
いは酸素は弗化物ガス等の雰囲気中でプルームを発生さ
せて酸化物超電導材料からなる超微粒子膜を基板表面に
得ることができる。また該当組成の酸化物超電導体の焼
結体を原材料とし、例えば不活性雰囲気或いは酸素含有
雰囲気中でプルームを発生させても良い。
For example, the ultrafine particle film produced by irradiating the raw material 6 with the laser beam 2 has a predetermined composition of the superconducting material (for example, Y
Ba 2 Cu 3 O 7 _ 8 etc.) alloys (eg Y-B)
(a-Cu alloy) to generate a plume in an atmosphere of oxygen, oxygen and an inert gas, or oxygen or a fluoride gas to obtain an ultrafine particle film made of an oxide superconducting material on the substrate surface. . Alternatively, a plume may be generated in an inert atmosphere or an oxygen-containing atmosphere by using a sintered body of an oxide superconductor having the corresponding composition as a raw material.

【0041】更には最終生成物を構成する個々の金属
(Y、Ba、Cu等)または化合物(Y23、BaCO
3、CuO等)に夫々レーザエネルギを所定時間照射し
てプルームを発生させ基板へ移行中に混合させつつ所定
の超電導材料を得ることも可能である。
Furthermore, the individual metal (Y, Ba, Cu, etc.) or compound (Y 2 O 3 , BaCO) constituting the final product is used.
It is also possible to obtain a predetermined superconducting material while irradiating laser energy to each of ( 3 , CuO, etc.) for a predetermined time to generate a plume and to mix it during transfer to the substrate.

【0042】尚、図11に示す高周波誘導コイル15で
雰囲気をイオン化するとより効果的に反応が進む。
Incidentally, if the atmosphere is ionized by the high frequency induction coil 15 shown in FIG. 11, the reaction proceeds more effectively.

【0043】上記方法で形成した膜は成膜室5を不活性
ガス、酸素、酸素と不活性ガス、或いは酸素と弗化物ガ
ス等の雰囲気にして高周波誘導コイル15で膜を加熱し
て熱処理(例えばYBa2Cu37_8超電導材の場合は
900〜1050℃、5時間、酸素雰囲気で原料合金を
加熱、200℃/Hrで冷却)することにより、大気に
出さずにオンラインで高温超電導膜に形成することが可
能である。
The film formed by the above method is heat-treated by heating the film in the high-frequency induction coil 15 in the deposition chamber 5 in an atmosphere of inert gas, oxygen, oxygen / inert gas, oxygen / fluoride gas, or the like ( For example, in the case of YBa 2 Cu 3 O 7 _ 8 superconducting material, by heating the raw material alloy in an oxygen atmosphere at 900 to 1050 ° C. for 5 hours and cooling it at 200 ° C./Hr), the high temperature superconducting material is brought online without being exposed to the atmosphere. It can be formed into a film.

【0044】原材料に用いる焼結体は例えば仮焼ずみ酸
化物超電導体粉末の焼結体である。これは例えば共沈法
にて作成し具体的にはY0.4Ba0.6CuO3粉末を焼結
したものである。
The sintered body used as the raw material is, for example, a sintered body of calcined oxide superconductor powder. It is specifically created in example coprecipitation is obtained by sintering the Y 0. 4 Ba 0. 6 CuO 3 powder.

【0045】更に例えばLa−Ba−Cu−O系の超電
導薄膜を得るには各構成金属元素の対応酸化物(Baに
ついては炭酸化物)を原材料とし、照射時間を考慮して
アルゴン雰囲気中で成膜可能である。
Further, for example, in order to obtain a La-Ba-Cu-O-based superconducting thin film, the corresponding oxide of each constituent metal element (carbon oxide for Ba) is used as a raw material, and it is formed in an argon atmosphere in consideration of irradiation time. Membrane is possible.

【0046】[0046]

【発明の効果】本発明により、膜の構成物質を含む原材
料にレーザ光をパルス照射して発生するプルームを成膜
面に直接当てて成膜するようにしていることから、超微
粒子の生成後直ちに成膜し得る。その結果、高効率に種
々の材料の膜を簡単に得ることができるという効果があ
る。
According to the present invention, a plume generated by pulse-irradiating a raw material containing a constituent material of a film with a laser beam is directly applied to a film-forming surface to form a film. A film can be formed immediately. As a result, there is an effect that films of various materials can be easily obtained with high efficiency.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例を適用した超微粒子成膜装置
の模式図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of an ultrafine particle deposition apparatus to which an embodiment of the present invention is applied.

【図2】集光レンズの焦点距離とレーザエネルギとの関
係特性図である。
FIG. 2 is a relationship characteristic diagram between a focal length of a condenser lens and laser energy.

【図3】焦点距離とプルームの発生開始時間及びプルー
ム先端成長速度との関係特性図である。
FIG. 3 is a relationship characteristic diagram of a focal length, a plume generation start time, and a plume tip growth rate.

【図4】雰囲気圧力とプルーム先端成長速度との関係特
性図である。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between atmospheric pressure and plume tip growth rate.

【図5】プルームの移行速度を説明する特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram illustrating a plume transition speed.

【図6】レーザエネルギと超微粒子の生成量との関係特
性図である。
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between laser energy and the amount of ultrafine particles produced.

【図7】各種原材料の超微粒子の生成量及び蒸発量との
関係特性図である。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the production amount and the evaporation amount of ultrafine particles of various raw materials.

【図8】雰囲気圧力と生成量との関係特性図である。FIG. 8 is a relationship characteristic diagram between an atmospheric pressure and a production amount.

【図9】雰囲気圧力が粒子径に及ぼす影響を示す特性図
である。
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the influence of atmospheric pressure on the particle size.

【図10】雰囲気圧力が粒子径に及ぼす影響を示す特性
図である。
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the effect of atmospheric pressure on the particle size.

【図11】他の実施例を示す基板付近の拡大模式図であ
る。
FIG. 11 is an enlarged schematic view of the vicinity of a substrate showing another embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 レーザ源 2 レーザ光 3 集光レンズ 4 ガラス板 5 超微粒子成膜室 6 原材料 8 プルーム 9 雰囲気ガス供給管 11 排気ポンプ 12 基板 13 超微粒子膜 14 ヒータ 15 高周波誘導コイル 1 Laser Source 2 Laser Light 3 Condensing Lens 4 Glass Plate 5 Ultra Fine Particle Filming Chamber 6 Raw Material 8 Plume 9 Atmospheric Gas Supply Pipe 11 Exhaust Pump 12 Substrate 13 Ultra Fine Particle Film 14 Heater 15 High Frequency Induction Coil

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C01G 1/00 C01G 1/00 S C23C 14/28 8939−4K C23C 14/28 (72)発明者 羽田 光明 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 岡田 亮二 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−194066(JP,A) 特開 昭53−39274(JP,A)─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display location C01G 1/00 C01G 1/00 S C23C 14/28 8939-4K C23C 14/28 (72) Inventor Mitsuaki Haneda 502 Jinrachi-cho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Machinery Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Ryoji Okada 502, Jinmachi-cho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Hitachi, Ltd., Mechanical Research Laboratory (56) References JP 60-194066 (JP, A) JP-A-53-39274 (JP, A)

Claims (16)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 減圧下で膜の構成物質を含む原材料にレ
ーザ光をパルス照射して前記膜の構成物質を含むプルー
ムを発生させ、このプルームを成膜対象物に直接接触さ
せてその対象物の表面に膜を形成するにあたり、前記レ
ーザ光の焦点位置を調節して前記プルームの性状を調節
することを含んでなる成膜方法。
1. A raw material containing a constituent material of a film is pulse-irradiated under reduced pressure with a laser beam to generate a plume containing the constituent material of the film, and the plume is brought into direct contact with an object to be film-formed. A film forming method, which comprises adjusting a focal position of the laser light to adjust a property of the plume in forming a film on the surface of the.
【請求項2】 請求項1において、前記膜が超電導膜で
あることを特徴とする成膜方法。
2. The film forming method according to claim 1, wherein the film is a superconducting film.
【請求項3】 請求項1において、前記膜が酸化物超電
導膜であることを特徴とする成膜方法。
3. The film forming method according to claim 1, wherein the film is an oxide superconducting film.
【請求項4】 請求項1乃至3に記載のいずれかにおい
て、雰囲気ガスをイオン化することを含んでなる成膜方
法。
4. The film forming method according to claim 1, further comprising ionizing an atmosphere gas.
【請求項5】 請求項1において、前記膜を雰囲気ガス
の成分と前記プルーム及び/または成膜過程生成物乃至
成膜物との反応により形成することを特徴とする成膜方
法。
5. The film forming method according to claim 1, wherein the film is formed by a reaction between a component of an atmospheric gas and the plume and / or a film forming process product or a film forming product.
【請求項6】 請求項1において、レーザエネルギ密度
を104乃至107W/cm2とすることを特徴とする成
膜方法。
6. The film forming method according to claim 1, wherein the laser energy density is 10 4 to 10 7 W / cm 2 .
【請求項7】 請求項1において、前記成膜対象物を予
め加熱することを特徴とする成膜方法。
7. The film forming method according to claim 1, wherein the film forming object is heated in advance.
【請求項8】 請求項1において、前記プルームの成長
方向に垂直に前記成膜対象物の成膜面を配置することを
特徴とする成膜方法。
8. The film forming method according to claim 1, wherein a film forming surface of the film forming object is arranged perpendicular to a growth direction of the plume.
【請求項9】 請求項1乃至8に記載のいずれかにおい
て、前記プルームは前記原材料の蒸発原子の凝縮物を含
むことを特徴とする成膜方法。
9. The film forming method according to claim 1, wherein the plume contains a condensate of vaporized atoms of the raw material.
【請求項10】 成膜室と、 前記成膜室の内部に設置される膜の構成物質を含む原材
料と、 前記原材料の表面にレーザ光をパルス照射するレーザ照
射手段と、 前記原材料のレーザ光が照射される面に形成されるプル
ームに少なくとも接触する位置に配置される成膜対象物
と、 前記成膜室の内部圧力を減圧する排気手段と、 前記原材料の表面に照射されるレーザ光のエネルギ密度
を前記プルームが発生する条件に調整するレーザエネル
ギ調節手段とを含んでなる成膜装置。
10. A film forming chamber, a raw material containing a constituent material of a film installed inside the film forming chamber, a laser irradiation unit for irradiating the surface of the raw material with a laser beam in a pulsed manner, and a laser beam of the raw material. Of the film formation target disposed at a position at least in contact with the plume formed on the surface irradiated with, the exhaust means for reducing the internal pressure of the film formation chamber, and the laser light irradiated on the surface of the raw material. A film forming apparatus comprising: a laser energy adjusting means for adjusting an energy density to a condition where the plume is generated.
【請求項11】 請求項10において、 前記排気手段は、前記成膜室の内部圧力を調整可能であ
ることを特徴とする成膜装置。
11. The film forming apparatus according to claim 10, wherein the exhaust unit is capable of adjusting the internal pressure of the film forming chamber.
【請求項12】 請求項10において、 前記成膜室の雰囲気ガスをイオン化するイオン化手段を
前記成膜室内に設けたことを特徴とする成膜装置。
12. The film forming apparatus according to claim 10, further comprising ionizing means for ionizing an atmosphere gas in the film forming chamber, inside the film forming chamber.
【請求項13】 請求項12において、 前記イオン化手段が、アークエネルギ発生手段と高周波
誘導コイルのいずれか1つであることを特徴とする成膜
装置。
13. The film forming apparatus according to claim 12, wherein the ionization unit is one of an arc energy generation unit and a high frequency induction coil.
【請求項14】 請求項10において、 前記成膜対象物を予め加熱する加熱手段を設けたことを
特徴とする成膜装置。
14. The film forming apparatus according to claim 10, further comprising heating means for heating the film forming object in advance.
【請求項15】 請求項14において、 前記加熱手段が、ヒータと高周波誘導コイルのいずれか
1つであることを特徴とする成膜装置。
15. The film forming apparatus according to claim 14, wherein the heating means is one of a heater and a high frequency induction coil.
【請求項16】 請求項10において、 前記成膜対象物の成膜面と前記原材料のレーザ照射面を
平面とし、前記成膜面と前記レーザ照射面とを対向させ
て平行に配置し、前記レーザ光を前記レーザ照射面に傾
斜させて照射することを特徴とする成膜装置。
16. The film-forming surface of the film-forming target and the laser irradiation surface of the raw material are planes, and the film-forming surface and the laser irradiation surface are opposed to each other and arranged in parallel to each other. A film forming apparatus, which irradiates a laser beam while inclining it onto the laser irradiation surface.
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